Method Article
We describe an in vivo protocol to measure dorsiflexion of the foot following stimulation of the peroneal nerve and contraction of the anterior crural compartment of the rat hindlimb. Such measurements are an indispensable translational tool for evaluating skeletal muscle pathology and tissue engineering approaches to muscle repair and regeneration.
尽管骨骼肌,永久的功能和/或化妆品缺陷( 例如 ,容积肌肉损失(VML)从外伤,疾病和各种先天性的,遗传性和获得的条件得到的是相当普遍的。组织工程和再生医学的技术有巨大的再生能力势,以提供一个治疗方案,但是,在与相关的功能性的措施纵向评估组合生物学相关动物模型的利用是改善的再生治疗学的发展用于治疗VML状损伤是至关重要的。在这方面,一个商业肌肉杠杆系统可用于测量长度,张力,力和骨骼肌速度参数。我们使用这个系统,结合一个高功率,双相刺激器,来测量响应于前小腿隔室的体内活化力产大鼠后肢。我们PREVIously使用该设备来评估VML损伤的胫骨前肌(TA)肌肉功能的影响,以及功能恢复的下列治疗受伤的TA肌肉与我们的组织工程肌肉修复(TEMR)技术的程度。对于这样的研究中,麻醉大鼠的左脚被牢固地锚定到连接到一个伺服马达脚板,和腓总神经是由两个经皮针形电极刺激引发肌肉收缩和脚的背屈。腓神经刺激诱发的肌肉收缩在一定范围的刺激频率(1-200赫兹)的测定,以确保有效的生产的最终高原,其允许准确测定的峰强直力。除了VML损伤的程度以及功能恢复的治疗之后的程度进行评估,这种方法可以方便地应用于研究肌肉生理和病理生理的不同方面。这种做法笑ULD帮助提高治疗的更合理的发展对肌肉的修复和再生。
骨骼肌在响应损伤或疾病1,2修理一个显着的内在能力。在实验上,此再生反应的鲁棒性得到了很好的在动物模型中通过研究,例如记载,骨骼肌损伤,修复和再生myotoxins( 例如 ,心脏毒素)3-7的涂布后的时间过程。更具体地,经过广泛的心脏毒素诱导的肌肉损伤,再生是通过卫星细胞介导的(肌纤维8的38-67%),则驻留干细胞的成熟,最终成为功能的肌纤维4,9-13。最终的结果是增加了后期的损害健康,力产生肌肉组织14-16功能再生。虽然细节超出了报告的范围,对于肌肉再生的机理基础上体现多种细胞类型,从利用canoni多谱系精心打造的事件校准信号通路到两个组织发育和形态发生5,17-21至关重要。重要的是,myotoxin诱导再生是通过这一事实使该细胞外基质,神经元神经支配和血管灌注保持结构完整以下心脏毒素诱导的肌肉损伤3,8,22。与之形成鲜明对比,这些关键组织的结构和组件,根据定义,在VML损伤的情况下完全不存在;其中,组织坦诚的损失,由于多种原因,导致永久性的功能和外观缺陷23-25。
不管用以下VML损伤与myotoxin诱发肌肉损伤比较肌肉修复和再生,改善了骨骼肌再生和修复的机械基础的理解相关联,在多种情况下的额外的挑战,将由的生物利用率得到更好的服务在与纵向的组合相关动物模型中肯的功能性措施ssessments。如本文中所讨论的,大鼠后肢的研究提供了一个极好的模型系统为此。更具体地,前脚部室的肌肉(胫前,趾长伸肌(EDL)和hallicus长肌(HL)),这是负责足部背屈,很容易识别和操纵。此外,它们是由大血管(髂和分支机构)提供服务,并通过神经(坐骨神经和分支机构,包括腓)运行26-28腿的长度支配。因此,人们可以使用大鼠后肢模型直接评估体内骨骼肌功能/病理学,或评价对相应骨骼肌功能在血管或神经病理相关的改变的更间接影响。在这两种情况下,疾病的严重程度,以及治疗的功效可被确定为肌肉力量的生产(扭矩)和相应的脚微米的功能ovement 29-34。
理想的情况下,力的测量是伴随着组织学研究和基因表达分析,以更严格的评估骨骼肌的结构和分子的状态。基本组织学和免疫组织化学,例如,能够回答关于肌肉大小,肌肉纤维取向,细胞外基质组合物,核的位置,细胞数,和蛋白质定位的问题。基因表达分析,反过来,是必要的用于识别可能影响/调节肌肉纤维,疾病状态,和代谢活性的成熟的分子机制。虽然这些方法提供了重要的信息,它们通常表示终端端点,以及最重要的是,它们不能直接解决骨骼肌的功能的能力,并且因此,是相关的,而不是致病。然而,当组织学研究和基因表达分析与功能结合测量电评估ES,那么,力生产和功能再生机制可以最准确地识别。
在这点上,产生一个肌肉的能力上的力可在体外测定,原位或体内 。所有这三种方法都有优点和局限性。 在体外试验中,例如,肌肉完全隔离,并从动物的身体中移除。通过去除血管和神经该供给肌肉的影响,可以在严格控制的外部环境35来确定所述组织的收缩能力。 原位肌测试允许肌肉被分离,如在体外制剂,但是,神经支配和血供保持不变。 原位实验模型的好处是,它允许在神经支配和血液供应最小扰动36被研究个体肌肉。同时在体外 和原位实验,药物治疗可以更直接地,而不必考虑任何周围组织或循环系统的所测量的收缩反应37冲击的影响施加。然而, 在体内的功能测试中,如本文中所描述的,是为在其天然环境38评价肌肉功能的至少侵入性技术,并且可以随着时间的推移重复进行( 即 ,纵向)。因此,这将是下文讨论的焦点。
在这方面,插入感兴趣的肌肉,或供应其运动神经附近经皮电极,提供的电信号的肌肉。换能器然后测量指示由预定,定制软件协议在激活的肌肉产生的长度或力的变化。从这些数据中,肌肉的物理性质可以被确定。这些包括用于CE-频率,最大破伤风,力 - 速度,硬度,长度张力,和疲劳。肌肉长度或力也可保持恒定,以使肌肉收缩等长或等渗。重要的是,这些实验性协议可以迅速地进行,容易反复和customized-所有而将动物麻醉并用的小时恢复期到几天。一个单一的动物可在体内进行力量测试多次,从而使疾病模型或治疗平台/技术评估的纵向研究。
如本文所述,在具有高功率组合,商业肌肉杠杆系统,双相刺激器被用于在体内肌肉功能测试,以执行经由刺激来评价大鼠后肢的胫骨前肌的与脚的背屈的贡献腓总神经。我们已经开发出专门设计用于评价再生医学/ Ti的一个协议继鼠的TA肌肉创伤性损伤VML工程ssue技术肌肉的修复。应当指出; EDL的和HL需要以具体评价的TA肌肉(它们占以下腓神经刺激(电晕测得的总胫骨前转矩的约15%-20%被解剖出的前脚部隔间。等 ,2013年) )。因为这种方法提供了肌肉生理/功能的全面的纵向分析,它可以在许多其它类型的生理调查以及各种疾病或治疗领域39棚重要机械洞察力。例如, 在体内肌肉功能测试是适用于运动生理学,缺血/再灌注研究,肌病,神经损伤/神经病和血管,肌肉减少症,和肌营养不良40研究。
所有动物人道待遇,所有的协议是由弗吉尼亚IACUC的大学认可。
1.设备的准备
2.软件安装
3.动物建立
注:所有测力是那些一个11周大的Lewis大鼠的。有肌肉质量和力量产量(牛顿)之间的线性关系。因此,作为鼠的增加年龄,由腿产生的力的值应增加。
4.电极的放置
5.整理刺激和清理
6.数据分析
进行数据分析,以适应本实验室设计,并根据实验室协议的顺序:注意。分析值,重要性的数据点,并且该过程的其他方面将变化取决于用户的意图。
强直曲线可以用于区分亚最佳结果最佳结果。该曲线通常开始形成,在60赫兹的频率。要取得良好效果的关键因素是刺激肌肉,使其产生其最大力量和破伤风期间保持这种力量的能力。理想曲线应该有一个不间断,锋利,垂直于刺激的时间上去,接着用最少的振荡平面平台期,和不间断的,尖锐的垂直下降在刺激终止期间( 图4)。从理想曲线偏差是肌肉疲劳时指示( 图5D)或肌肉没有被正确刺激产生最大力量( 图5B - C)。后者一般不正确的电极放置结果导致肌肉纤维最大的招聘失败stimula期间化。一个显着特点,可以让研究人员确定一个非理想曲线是不正确的电极放置或病理变化的结果对肌肉强直曲线是否完整(融合)或不完整的(非融合)。一个未融合的,不完全强直曲线表示该电极被放错位置,导致肌肉没有遇到一个最大收缩。可以观察到在肌肉的病理学变化的例子作为最大收缩减少与对照相比,或者更快速地迷彩一个收缩反应为。
三种不同类型的在这个过程期间获得的峰代表不同的电极和腿的位置,并能够在图3中可以看到,第一峰将围绕0.4N并且当正确的电极放置在表面上测定的皮肤( 图发生图3A)。第二组峰具有ħigher振幅,通常约0.5-0.6N( 图3B),并且当在电极刺穿穿过真皮发生。这些获得后,腿和脚被调节以最大化动力生产,这是实现当峰值幅度增大到约1N或更大( 图3C)。在这一点上,即时兴奋剂可以关闭和顺序可以开始。这些准则确保准确和可重复的结果,并在整个协议的关键检查点。
最后的结果可在根据用户从力试验和实验设计中提取的信息不同的方式来表示。在这个协议中,最大的力在所有刺激的频率的测量,然而其它的数据点可以是用于特定研究者或应用很重要的。一个例子是刺激在该强直曲线初具规模的频率。 ŧ他的数据可以比从以前或以后实验中得到的相同的动物,或用于不同处理组之间的比较的其他结果。力生产可以通过身体质量进行标准化来计算等角力和提供的年龄对所观察到的最大收缩的影响的更公正的评估。虽然不同的体重和年龄的动物将产生各种最大的力,当被正确地执行的程序的强直曲线的形状应是所有组之间是一致的。
图1:杠杆系统控制和数据分析软件进行分析概述打开程序时,控制软件( 一 )概述。 (B)参数"即时兴奋剂"。 (C)实例序列力频率的刺激。 (D )从分析软件的高通量力频率分析有代表性的数据。应该指出的是,例如序列和数据分析的过程是特定于该协议,并不代表全系列通过本软件提供的序列和输出。 请点击此处查看该图的放大版本。
图 2: 在大鼠的定位和安置在设备脚 (A) 关键方面的老鼠是在牢固地固定在踏板的左脚仰卧位。由脚,腿和大腿做出了正确的角度盘旋。 (B)中由脚踝创建的直角被突出显示。 (C)的腿部应在直平面对齐从脚到身体。 (D)的电极位置是平行和垂直于腓总神经的平面。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3: 代表峰演示正确的电极放置的重要性,以最大力量生产 (A)基线峰值强直性放置太肤浅电极观察反应。 (B)与插在正确的位置电极较大的峰值。从更大的波峰信号正确的电极放置到最佳的序列前峰值幅度为腿和脚的位置(C)过渡的最佳调整。/ftp_upload/54487/54487fig3large.jpg"目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。
图 4: 在100赫兹最优强直曲线 ,该曲线上升和急剧下降并具有平坦平台期。这个例子说明正确电极放置和最大力量的刺激。 请点击此处查看该图的放大版本。
图 5: 在100赫兹获得次优强直曲线 (A)按照松弛代表性实施例中 ,该曲线骤降基线以下。这表明刺激的拮抗剂。 (B - D)这些图都是不正确的电极放置和不平等的招聘肌纤维的结果。高原阶段表现出较大的波动(B),上升斜率(C),或向下倾斜(D)。 请点击此处查看该图的放大版本。
此协议演示了用于对大鼠后肢的前脚部隔室进行体内肌肉功能测试相对简单的方法。肌肉功能测试的其他形式,包括体外 和原位协议,也可以提供有关肌肉生理重要信息。然而, 在体内的功能测试的意义在于它非侵入性的性质,而且它最准确地概括肌肉刺激内源性机制的事实。对于这两种体外 和原位检测,肌腱和/或肌肉被暴露,因此,必须保持湿润或浸没41,42, 在体内试验中删除可以由所需的外科手术引起的创伤和炎症的混杂变量用于原位肌肉功能测试;如果实验的目的是研究抗炎和细胞过程,这是特别重要 43。此外, 在体内测试 需要很少的外科技术人员作为肌肉不从其周围隔离的,并且不要求精确结降低肌肉/腱打滑(如为的情况下在原位或离体试验)41。此外,具有足够的实际应用中,正确放置电极的速度,并能够迅速做出调整,以达到最大的力生产的肌肉将确保协议完成是迅速并且两个内的动物和不同用户的相同设备39的reproducible-能力。是有益与整个前小腿部件的评估开始如图所示,在不易进入的协同肌(EDL和HL),用于对TA肌肉的更直接调查的切除之前。使用这种方法,我们可以相当迅速地实现技术的掌握。尽管这里描述的过程说明和突出的力fr的效用equency协议以诱导破伤风和确定由肌肉产生的最大的力,用户应确定能最佳通知其具体实验(S)和研究目标功能测试的类型(多个)。
有迹象表明,应仔细以确保最佳的和可重复的实验结果由肌肉的各种刺激参数进行的,即,一致最大力量生产几个关键步骤。几个关键特征在图2中概述的,然而,适当放置和刺激电极的稳定是腓总神经再现的最大刺激的绝对先决条件。在这方面,在电极应表面放置。即,如果电极的位置是太深,一是风险拮抗肌的直接电刺激,从而减少前脚部室的观察收缩反应的幅度。此外,该两个电极应放在尽可能靠近彼此接近可行减少周围的皮肤和结缔组织的电阻。在一般情况下,靠近膝盖和内侧到腿部直接追踪胫前到它满足腓肠肌的边缘的电极定位常常产生足够的力的生产。这也确保了电极相邻和正交放置在腓神经,这反过来又,垂直于胫骨和横向向下从膝盖腿运行的平面。然而,在动物之间的解剖学自然变化,需要时刻保持警惕,以确保电极位置是在逐案基础上进行了优化。正因为如此,有与由用户的体验显著减弱电极放置有关的试验和错误的一定水平。电极刺入皮肤应尽量少,以减少肿胀和炎症的次数,从而减少了我asured力的生产。这是取决于其中针最初放置,但建议移动针头的两倍或以下特别是在周围的膝盖骨的区域。最后,一旦电极被放置在动物的腿部,小的调整,可以在腿部的定位,并通过所述电极提供的电流进行。这应该同时监测从单一抽搐产生的力来完成。除了电极放置,调整,也可以以跨电极输送的电压制成。然而,在这里所描述的设置,它作为一种方法来提高输出力增加电压时要谨慎使用,因为增加的电压会刺激神经支配的拮抗肌是很重要的。
有迹象表明,必须进行监测,以确保电极放置仍然保持最佳状态的三个关键技术问题。首先,将麻醉动物的脚必须牢固地锚定到脚踏板装置,其测量肌肉力产生( 图2)。如果脚不牢固地固定,由肌肉产生的真实力可以不完全转换为力传感器。不稳定脚固定也引入失去电极的最佳放置为超出正常肌肉收缩运动的风险( 即脚移动从脚板的距离)可以从它们的浅位置引起电极的位移或完全去除它们。这两种情况下会降低测量的力。第二,在动物的身体应完全仰卧并在直平面( 图2)对准。动物身体的正确位置防止因呼吸腿部轻微抖动,同时还最大限度地减少了腿和骨盆的扭动,实现更好的位置和刺激电极的连续接触。膝关节三,正确定位和固定是criti校准以确保该腿保持稳定,因此,有助于稳定刺激电极的最佳放置,以允许腓总神经一致活化。
有迹象表明,应该强调的几个附加分。首先,将商业肌肉杠杆系统被设计为在左腿执行测试,但是设置可被修改为在右腿执行测试为好。第二,肌肉杠杆系统可基于动物的大小进行选择,所以用户应该确保所用的平台是足够来测量,并支持由所选择的动物模型产生的力。为设备平台可检验的肌肉都仅限于那些诱发足部的跖分机或背屈。第三,它应该再次强调的是,电极位置可以是具有挑战性的,需要耐心和实践掌握的技术。电极也很快变得迟钝经常使用,所以它是有帮助的几个备用小号ETS一次变得难以表面刺破皮肤。第三,本报告中所描述的协议利用特异性刺激序列和数据分析程序。肌肉杠杆系统控制软件和数据分析软件,它提供可以回答许多其他实验问题,并因此数据,其效用延伸超出了本文中概述。因此,我们鼓励用户探索超越本文介绍的软件协议(S)的限制。尽管存在这些轻微的局限性, 在体内肌肉功能测试是一个功能强大的方法来确定骨骼肌的健康和收缩能力,因为它是微创并且可以在多种场合下进行,在延长的时间范围内,在相同的动物。总之,这种类型的维修工具的使系统特别善于测试对于在大鼠后肢骨骼肌损伤或疾病的新疗法的效果。
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr. Hannah Baker for her extensive work in optimizing this procedure.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Isothesia | Henry Schein Animal Health | 05260-04-04 | |
Isoflurane Vaporizer-Funnel Fill | Vet Equip | 911103 | |
Inlet Adaptor for Vaporizer | Vet Equip | 911124 | |
Outlet Adaptor for Vaporizer | Vet Equip | 911125 | |
Tabletop Anaesthesia Machine | Vet Equip | 901801 | |
Compressed oxygen gas | Praxair | N/A | |
VaporGuard Activated Charcoal Filter | Vet Equip | 931401 | |
T/Pump Professional water heater | Stryker | N/A | set on Continuous Therapy Time at 38/100 for temperature |
Transpore Surgical Tape | 3M | 1527S-1 | rip in half to make thinner strips |
A5 Golden animal clippers | Oster | 078005-050-002 | |
Povidone-Iodine Solution | Aplicare | 82-227K | |
Alcohol Swabs | |||
200 proof Ethanol | Decon labs | diluted to 70% with deionized water | |
cotton tipped applicators | Puritan | 836-WC | |
Teflon coated electrodes-Monopolar needle electrode | Chalgren Enterprises | 111-725-24TP | |
servomotor | Cambridge Technology | Model 6650LR | |
Dual Mode Lever System | Aurora Scientific Inc | Model 305C-LR-FP | contact manufacturer to order |
Signal Interface | Aurora Scientific Inc | Model 604A | |
High-Power, Bi-Phase Stimulator | Aurora Scientific Inc | Model 701C | |
Data analysis software | Aurora Scientific Inc | DMAv5.110 software | |
Muscle lever system control software | Aurora Scientific Inc | DMCv5.400 software |
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